JP5220351B2 - 自動的に調心された回転リングによって作動されるステータ翼の段を含むターボ機械ステータ - Google Patents

Description

本発明はターボ機械ステータに関する。

本発明は、陸上又は航空ターボ機械、特に、航空機ターボジェット、より詳しくは、このようなターボ機械に含まれている圧縮機に適用される。

より正確には、本発明は、ケーシングと、上記ケーシングの外側にあり上記ケーシングによって支えられたアクチュエータリングによって動かされる少なくとも１段の可変ピッチステータ翼とを有し、上記リングが翼を同時に作動するためにリンクによって上記段の上記翼に連結されているステータを備えるタイプのターボ機械に関する。

このタイプのターボ機械では、圧縮機のステータは、ストリーム中での位置が調節可能であるために可変ピッチであると言われている、少なくとも１段のステータ翼を取り付けられている。より正確には、翼のアタックアングルが、ケーシングの外側に位置しそれぞれのリンクによって上記翼に接続されている回転アクチュエータリングの変位を制御するサーボ制御システムによって、ターボ機械の動作条件に応じて制御され得る。

従来、このようなアクチュエータリングは、アクチュエータリングをケーシングに押し付けることによりケーシングの周りに位置合わせさせることができる半径方向に調節可能な調心シュー有する。各調心シューは、ケーシング上のトラックと接触し、すなわち、接触表面がターボ機械の軸と一致する軸の円筒表面に内接させられるように加工された、ケーシングの表面に画定された突起と接触する。
米国特許第４１３０３７５号明細書

リングをケーシングとぴったり同軸にさせることができるシューの調節は巧く行うことが困難であり、時間を要する。その上、このような調節が行われると、動作中に発生し、リングとケーシングに対して様々に変化する寸法を伴う膨張現象を受け入れるために、シューと突起との間にある程度のクリアランスを摺動組立体に与えることが必要である。リングとケーシングは、異なる膨張率を有し、その上、異なる動作温度に晒される。必要とされるこの動作クリアランスは、所望の調心に不利になる、０．７ミリメートル（ｍｍ）〜０．８ｍｍの大きさになることがある。低温時には、この動作クリアランスは最大であり、したがって、リングの中心ずれはその最大になる。

別の設計では、米国特許第４１３０３７５号明細書は、円運動だけを行い、２本の重ね合わされたリングで作られているアクチュエータリングについて記載する。内側リングは、半径方向に突出するスタッドを用いてケーシングに取り付けられ、翼アクチュエータリンクに取り付けられた外側リングは、ホイールを介して内側リングの上を動く。このようなシステムは重く嵩張る。

本発明は、上記の従来技術の解決策と比べて、顕著な改良を提供し、動作中に、比較的小型のシステムを使用しながら、リングが自動的に調心されることを可能にする。

より正確には、本発明は、上記のタイプのターボ機械ステータに関し、上記ケーシングがケーシングの外面から突出する固定同軸レールを含み、少なくとも３群の円周方向に離間したホイールのグループが上記レールに沿って動くように拘束され、ホイールの各グループが半径方向誘導アレンジメントによって上記リングに連結され（すなわち、ホイールの各グループがリングに対して相対的に半径方向に誘導され）、ホイールの各グループが上記レールと係合させられた少なくとも２台のホイールを備え、各ホイールが、上記リングに直接的に取り付けられた、半径方向へ向けられたピンに関して回転するように取り付けられている。

ピンがリングに直接的に取り付けられているということは、ピンがリングに取り付けられている支持材に取り付けられていないことを意味する。よって、２通りの構造が考えられ得る。

第１の構造では、各ホイールがそのピンに沿って半径方向に摺動し、ピンがリングに対して相対的に固定されている。ピンはリングに固定的に取り付けられてもよく、又は、リングと一体的に形成されてもよい。

第２の構造では、ホイール及びピンがリングに対して相対的に半径方向へ一緒に摺動するように、各ホイールがそのピンに固定され、ピンがリングに形成された穴に摺動的に取り付けられている。換言すると、ピンはリングに対して相対的に半径方向に平行移動可能であり、ホイールはピンに対して相対的に回転移動だけが可能である（平行移動不可である）。

有利的には、穴におけるピンの摺動を円滑にするため、すべり軸受又は転がり軸受が穴とピンとの間に設けられている。

本発明による構造体は、正確に調心された（すなわち、ケーシングに関して同軸である）、軽量のアクチュエータリングを実現することを可能にする。さらに、このような構造体の組立及び調節は簡単であり、素早く実行され得る。最後に、膨張現象を受け入れるために動作クリアランスを設けることが不要であり、それによって、動作温度とは無関係に、特に、低温時に、リングが適切に調心されることを保証する。

発明による構造体は、調心の最初の品質が、動作温度とは無関係に、かつ、リング及びケーシングのため使用された材料とは無関係に不変であることを保証する。このことは、制御の全段階中に、アクチュエータリングの位置の制御を改良する。

提案されたシステムは、円周方向に、実質的に互いに等距離である、３群（最小限の個数）又は４群のホイールのグループを用いて満たされ得る。

アクチュエータリングを回転させるため、アクチュエータリングは、一般にアクチュエータリングの円周の１箇所又は２箇所に位置している制御アクチュエータによって駆動される。本発明によれば、必要とされる駆動力は、調心シューと突起との間の摩擦に打ち勝つために従来技術において必要とされ、必要とされる全駆動力の約３０％に相当する量より削減される。結果として得られた節約は、（複数の）制御アクチュエータ又はその他の制御装置のサイズに影響を与え得る。

前掲の米国特許第４１３０３７５号明細書に記載されたシステムと比べると、該特許に記載されたシステムの内側リングが省かれているので、アクチュエータリングの重量及びサイズは著しく削減されていることがわかる。

可能な変形では、上記レールがケーシングに固定された２本の平行リングで構成され、ホイールの各グループ中の上記少なくとも２台のホイールが２本のリングと個々に接触している。ホイールの各グループは一般に２台を超えるホイールを備え、ホイールはリング間にできる限り均等に分布されている。

たとえば、２本のリングに対向する横リブが設けられ、ホイールのグループが上記横リブと係合した、たとえば、ダブルコーンの形をしたホイールを備える。

別の変形では、上記レールが上記ケーシングに固定された１本のリングで構成され、ホイールの各グループ中のホイールが上記リングの両側で上記リングと接触している。

上述のように、アクチュエータリングを回転させるため、アクチュエータリングは一般にその円周の１箇所又は２箇所から駆動される。可変ピッチ翼のそれらのハウジング内での旋回運動はこのような運動に抵抗し得る摩擦を伴って行われる。この抵抗はリンクに影響を与え、場合によっては、半径方向に対して相対的な軸の（小さな）ずれを伴うリングの楕円変形の原因となり得る。この追加的な問題を解決するため、リングの剛性を高めるように（変形への耐性を高めるように）リングのセクションに作用すること、及び／又は、高い剛性を示す材料を使用する方を選び、上記リングを構成する材料の性質に作用することが可能である。このことは、特に、炭素繊維に基づくある種の複合材料に当てはまる。

本発明は、さらに、このようなステータが設けられたターボ機械に関し、特に、発明はこのようなステータ付きの圧縮機を提供する。

本発明はよりよく理解され、本発明のその他の利点は本発明の実施形態の以下の説明を考慮に入れてより明白になる。説明は添付図面を参照して行われる。

図１及び図２は、軸Ｘをもち、可変ピッチステータ翼１２を収容するターボ機械ケーシング１１の一部分を示している。各翼１２は、ケーシング１１から突出し、リンク１６を介してケーシングの外側にあるアクチュエータリング１８に接続されたピボット１４を有する。リング１８は、その外面上に、リンク１６の端部に固定されたほぞ２１が存在する。軸Ｘ周りのアクチュエータリングの回転は、翼１２を同じ角度で同時に旋回させることがわかる。航空機ターボジェットでは、翼の方向が飛行条件に応じて調節され得る。

本発明は、アクチュエータリング１８が、ケーシング１１とリング１８との間の膨張の差によって乱されることなく、調心されることを保証することが可能である。

このため、ケーシング１１は、その外側に、本例では、ケーシングの壁と一体的に形成され、その外面から突出する固定同軸環状レール２４を有する。少なくとも３群の、好ましくは、互いに実質的に等距離にある円周方向に離間したホイールのグループ２６がレール２４に沿って動くように拘束されている。レールは、レールが機能的に有用なセグメントの上だけで、すなわち、ホイールのグループ２６が後に続くパスに沿って、完全に具現化されている（図１を参照）。レールはその他のセグメント上では省かれているので、それによって、重量の著しい節約を達成し、ホイールのグループが所定の位置に容易に設置できるようにする。さらに、後述されるように、ホイールの各グループ２６は、ターボ機械の軸Ｘに対して相対的にリング１８の正確な調心を自動的に保証する半径方向誘導アレンジメントによってリング１８に連結されている（すなわち、ホイールの各グループはリングに対して相対的に半径方向に誘導される）。本例では、互いに対して相対的に９０°の間隔で規則的に離間した４群のホイールのグループ２６が設けられている。

図の例では、リング１８は、端部に平坦部を有し、環状構造体を構築するように、たとえば、圧接によって、又は、ボルト締めによって、端部と端部が相互に接続された、複数の湾曲セグメント３８、３９の組立体で構成されている（図１を参照）。セグメント３８はホイールのグループ２６を支えるセグメントである。

説明されている例では、レール２４は、ケーシングに固定された２本の平行リング３０ａ、３０ｂ（実際にはリングセグメント）によって構成され、ホイールのグループ２６はこれらのリングの間を、より正確には、リングセグメントの間を動くように成形されている。さらに、２本のリング３０ａ、３０ｂには、互いに対向する横リブ３２ａ、３２ｂが設けられ、ホイールのグループ２６は、横リブと回転係合するダブルコーン型ホイール３４を含む。

図示された例では、ホイールの各グループ２６は、各ホイールがピン３６の周りに回転するように取り付けられている３台のダブルコーン型ホイール３４を備える。３台のホイールは一体的に二等辺三角形を形成する。１台のホイール３４が一方のリング３０ａと係合し、別の２台のホイール３４がもう一方のリング３０ｂと係合する。ホイールが回転できるようにするため、軸受システムが各ホイール３４とそのピン３６との間に介装されている。ホイール３４はピン３６に沿って摺動不可である。

別の実施形態（図示せず）では、ピン３６はリング１８と一体的である。

図示された例では、ピン３６はリング１８に形成された相補的な形状の穴４０に摺動的に取り付けられる。これらの穴４０は、ピン３６が半径方向に向けられ、リング１８に対して相対的に半径方向に摺動するように、半径方向に広がる。

各ピン３６がその穴４０内でより容易に摺動するようにさせるため、すべり軸受又は転がり軸受がピンと穴との間に設けられている。

転がり軸受の場合に、循環ボールを伴うリングを使用すると有利である。ボールケージが半径方向に動けるようにさせるダンパーシステムに取り付けられたボールケージを使用することもまた可能である。

すべり軸受の場合に、穴とピンとの間に設置されたブッシュを使用すると有利である。穴の表面及び／又はピンの表面に堆積させられたコーティングを使用することもまた可能である。当然ながら、ブッシュ及び／又はコーティングの材料はその摩擦係数が小さいという理由で選択されている。

一般に、温度が動作中に上昇するとき、ケーシングの膨張はリング１８の膨張より大きいので、リング３０ａ及び３０ｂの直径はリング１８の直径より速く増大する。本発明によれば、リング３０ａ及び３０ｂは、その後に穴４０の内側でリングに対して相対的に外向きへ摺動するホイール３４及びピン３６を伴って膨張する。よって、膨張前に調心されたリング１８は膨張後も引き続き調心されている。

アクチュエータリングがケーシングの周りにどのように取り付けられているかを示す、ターボ機械の軸に垂直な方向によるケーシングの断面図である。 図１のリング及びケーシングの一部分を示す斜視側面図である。 図１のリング及びケーシングの一部分の斜視平面図である。 図１のリング及びケーシングの一部分を示す（リングの外側から内側へ向かって見た）平面図である。 図１のリング及びケーシングの一部分を示す（リングの内側から外側へ向かって見た）底面図である。

符号の説明

１１ ケーシング
１２ ステータ翼
１４ ピボット
１６ リンク
１８ アクチュエータリング
２１ ほぞ
２４ レール
２６ ホイールのグループ
３０ａ、３０ｂ リング
３２ａ、３２ｂ 横リブ
３４ ホイール
３６ ピン
３８、３９ 湾曲セグメント
４０ 穴

Claims (13)

1. ケーシング（１１）と、前記ケーシングの外側に位置し前記ケーシングによって支えられているアクチュエータリング（１８）によって動かされる少なくとも１段の可変ピッチステータ翼（１２）とを備え、前記リングが翼を同時に作動するためにリンク（１６）によって翼（１２）に接続されている、ターボ機械ステータであって、
   前記ケーシング（１１）がケーシングの外面から突出する固定同軸レール（２４）を含み、
   少なくとも３群の円周方向に離間したホイールのグループ（２６）が前記レールに沿って動くように拘束され、
   ホイールの各グループ（２６）が半径方向誘導アレンジメントによって前記リング（１８）に連結され、
   ホイールの各グループ（２６）が前記レール（２４）と係合させられた少なくとも２台のホイール（３４）を備え、各ホイールが、前記リング（１８）に直接的に取り付けられた、半径方向へ向けられたピン（３６）に関して回転するように取り付けられていることを特徴とする、ターボ機械ステータ。
2. 各ホイールが、リング（１８）に対して動かないように取り付けられたピン（３６）上を半径方向に摺動する、請求項１に記載のステータ。
3. 各ホイールが、リング（１８）と一体的に形成されたピン（３６）上を半径方向に摺動する、請求項１に記載のステータ。
4. ピン（３６）が、リング（１８）に形成された穴（４０）に摺動的に取り付けられており、該ピンに、各ホイール（３４）が、ホイール（３４）及びピン（１６）がリングに対して一緒に半径方向に摺動するように取り付けられている、請求項１に記載のステータ。
5. ピンの摺動を円滑にするためすべり軸受が前記穴（４０）と前記ピン（３６）との間に設けられている、請求項４に記載のステータ。
6. ピンの摺動を円滑にするため転がり軸受が前記穴（４０）と前記ピン（３６）との間に設けられている、請求項４に記載のステータ。
7. 転がりシステムが各ホイール（３４）とそのピン（３６）との間に介装されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のステータ。
8. 前記レール（２４）がケーシング（１１）に固定された２本の平行リング（３０ａ、３０ｂ）で構成され、ホイールの各グループ（２６）中の前記少なくとも２台のホイール（３４）が２本のリングと個々に接触している、請求項１から７のいずれか一項に記載のステータ。
9. ２本のリング（３０ａ、３０ｂ）に互いに対向する横リブ（３２ａ、３２ｂ）が設けられ、前記ホイールのグループ（２６）が前記横リブと係合したダブルコーン型ホイール（３４）を備える、請求項８に記載のステータ。
10. 前記レール（２４）が前記ケーシング（１１）に固定された１本のリングを備え、ホイールの各グループ中のホイールが前記リングの両側で前記リングと接触している、請求項１から７のいずれか一項に記載のステータ。
11. 前記アクチュエータリング（１８）が炭素繊維に基づく複合材料で作られている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のステータ。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のステータを含む、圧縮機。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のステータを含む、ターボ機械。

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